徐家灣隧道瓦斯形成機理及施工對策

石 磊

(中鐵七局巴達鐵路工程指揮部，四川平昌 636400)

隧道工程瓦斯災害因其發(fā)生的突發(fā)性及分散性，危害極大，近年來已受到更大關注。一般來說，隧道內(nèi)發(fā)生瓦斯災害幾率很小，但是一旦發(fā)生瓦斯爆炸或瓦斯突出災害，后果將十分嚴重。國內(nèi)曾發(fā)生過嚴重的隧道瓦斯爆炸事故(表1)，造成巨大人員傷亡［1-2］。非煤系地層區(qū)瓦斯涌出具有隨機性、分布不均勻性的特點，修建隧道時如果對瓦斯沒有充分的認識和準備，瓦斯災害危害性更大，因此研究非煤系地層隧道瓦斯的形成機制以及施工對策具有重要的實際意義。

表1 國內(nèi)外隧道重大瓦斯事故

1 工程簡介

巴(巴中)至達(達州)鐵路徐家灣隧道位于四川省平昌縣境內(nèi)，中心里程DK58+157，隧道全長4 652 m，最大埋深248 m。隧道開挖采用臺階法施工。全隧穿越巖性為砂巖、泥巖互層;構造位于稅家槽背斜西翼，構造簡單，巖層傾角4°～5°，節(jié)理、裂隙發(fā)育一般。

依據(jù)西南石油大學提供的《廣元至達州線巴中至達州段隧道鉆孔淺層天然氣檢測研究報告》，鉆孔測試結果顯示有天然氣溢出，單孔(鉆孔直徑130 mm)天然氣最高濃度15 820 ppm，鉆孔天然氣流量 400×10-6m3/min，天然氣最大涌出量0.6 m3/min，確定為高瓦斯隧道。隧道設計高瓦斯區(qū)段長3 300 m，處于隧道中部，其余地段為低瓦斯區(qū)段。

2 瓦斯形成機理分析

綜合分析設計提供地質資料，徐家灣隧道是由于淺層天然氣沿地層的巖體裂隙上逸進入隧道。天然氣來源于隧道下方2 800 m的三疊系上統(tǒng)須家河煤系地層，其隨著地質歷史發(fā)展向上運移，在侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層局部儲存封閉或孤立殘留于巖石裂隙中，形成以裂隙型游離瓦斯為主的天然氣。其特點是壓力低、流量小而穩(wěn)定、分布不均勻，涌出的隨機性較強，瓦斯儲存量主要受與儲氣層相同且圈閉條件好的張裂隙或有裂隙發(fā)育的砂巖透鏡體的分布控制。在隧道開挖過程中，當遇有孔隙率大的厚層砂巖，裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)育，并儲存有大量天然氣，隧道開挖將造成瓦斯泄漏;部分封蓋圈閉條件好的地段，由于有延伸長遠的大裂隙與儲氣層連通，一旦封蓋被挖開，即可能發(fā)生瓦斯(天然氣)噴出現(xiàn)象［3-4］。

在隧道正洞出口施工中，先后發(fā)現(xiàn)3處有數(shù)條裂隙涌出瓦斯，手捂裂隙有氣感，經(jīng)檢測瓦斯?jié)舛冗_0.5%～2%，出現(xiàn)隧道內(nèi)風流中斷時瓦斯?jié)舛瘸薜那闆r。經(jīng)測定，開挖面瓦斯絕對涌出量平均值為0.56 m3/min，瓦斯壓力為0.02～0.12 MPa，圍巖堅固系數(shù)f＞4，瓦斯放散初速度極慢，吸附性極小，不具備瓦斯突出的條件。

3 施工對策

高瓦斯隧道施工管理的重點是防止瓦斯燃燒和爆炸的災害性事故的發(fā)生，瓦斯燃燒和爆炸瓦斯爆炸必須具備3個條件:一定濃度的甲烷、一定溫度的引火源和足夠的氧氣。施工對策的制定就是從這3個條件出發(fā)，徐家灣瓦斯隧道的瓦斯防治手段主要從4個方面考慮，即:隧道瓦斯的超前預測、通風設備的選定及管理、確定檢測和監(jiān)控系統(tǒng)、施工用機械和電氣設備的選用和管理。施工中采取超前鉆孔探測、預測隧道前方瓦斯的發(fā)育情況，通過加強通風降低瓦斯的濃度，采用有效的瓦斯檢測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控瓦斯的濃度，控制隧道各個不同作業(yè)面內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍诎踩鳂I(yè)許可條件內(nèi)，選用防爆的電氣設備控制火源等手段，確保了隧道的安全施工。

3.1 瓦斯的超前預測

隧道施工中瓦斯涌出量與所在工區(qū)的圍巖性質、地質情況有密切的聯(lián)系。通過超前水平鉆孔探測和預測隧道前方瓦斯的發(fā)育情況，為采用合理的施工措施提供依據(jù)，防止瓦斯突涌及爆炸事故的發(fā)生。瓦斯隧道安全控制的要點即為隧道正洞在開挖前采用超前水平鉆孔對前方地質進行探測驗證。

超前鉆探可實現(xiàn):

(1)對前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發(fā)育其情況探測;

(2)對前方巖體瓦斯賦存及瓦斯壓力探測;

(3)對瓦斯涌出預測及涌出初速度測試［5-6］。

超前地質鉆孔采用φ89 mm多功能輕型鉆機水平鉆孔進行探測驗證，每25 m一循環(huán)，孔身長度為30 m，搭接長度不小于5 m，隧道正洞每個斷面設置5個探測孔如圖1所示。每個循環(huán)工序做好鉆孔記錄、地質素描和影像資料。同時在鉆孔過程中對孔腔內(nèi)及隧道掌子面作業(yè)區(qū)瓦斯?jié)舛冗M行實時檢測，通過分析，為后續(xù)確定施工作業(yè)對策提高參考。

圖1 隧道超前探孔布置示意(單位:m)

3.2 通風設備選定及管理

3.2.1 通風設備選定

通風設備選定是結合隧道各工區(qū)任務量劃分，并根據(jù)瓦斯涌出量、爆破排煙、同時間洞內(nèi)工作的最多人數(shù)、洞內(nèi)施工機械排放廢氣量等分別計算通風所需風量，并按允許風速進行檢驗，采用其中的最大值，以確保風量和風速滿足瓦斯防治要求［7］。

全隧采用壓入式主導通風方式。依據(jù)風量計算要求正洞單口選用的型號為:2臺SDF(c)-NO.13(2×132KW)型軸流風機(1臺備用)通過2道管路同時供風，可滿足隧道需求風量要求，斜井采用一臺SDF-NO.11(2×110KW)軸流風機。隧道掘進超過1 200 m時，在正洞回風區(qū)增設SDS-Ⅱ-NO.10射流風機，并在瓦斯易聚集作業(yè)面增設局扇以降低瓦斯?jié)舛?。正洞通風管選用抗靜電阻燃風管，直徑為1.5 m。風管利用φ1 500 mm鋼筒通過襯砌模板臺車。全隧風機、風管配置見表2。

表2 風機、風管配置數(shù)量表(單口)

3.2.2 通風管理

(1)施工過程中，成立專門的通風班組負責通風設備的安裝、使用、維修、維護工作。每天進行巡檢，并做好風機運行記錄，保證管路順直，無死彎、漏洞［8］。

(2)建立瓦斯通風監(jiān)控體系，測定風速、風量等參數(shù)。風機的停運，關開、變速由監(jiān)控中心專人負責調(diào)度指揮，并且做好相應的記錄并簽認后備查。當移動模板臺車時，風機采取低檔位供風，以保證供風的連續(xù)性。

(3)隧道回風風速按0.25 m/s設計，為防止瓦斯積聚，對塌腔、模板臺車、加寬段、避車洞等部位增加局扇進行解決，對于一般段落采用射流風機卷吸升壓以提高風速，從而解決回風流瓦斯的層流問題。

3.3 瓦斯檢測、監(jiān)控體系

為確保檢測數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，采用了互補互驗型檢測和監(jiān)控系統(tǒng)，避免了單一檢測手段的不足，降低了施工風險。整套瓦斯檢測、監(jiān)控體系由KJ90自動監(jiān)控系統(tǒng)、CJG10型光干涉瓦斯檢測儀和 AZJ-2000型便攜式甲烷檢測報警儀3種儀器相結合方法檢測，以保證瓦斯檢測數(shù)據(jù)的準確，確保施工安全。

3.3.1 人工瓦斯檢測

人工瓦斯檢測采用光干涉式瓦斯檢測儀和便捷式甲烷檢測報警儀。CJG10型光干涉瓦斯檢測儀精度高，測量瓦斯?jié)舛日`差為±0.1%。特點是攜帶方便，操作簡單，檢測地點靈活，主要為瓦檢員配備。AZJ-2000型便攜式甲烷檢測報警儀測量瓦斯?jié)舛日`差為真值的±10%。該儀器不需經(jīng)專業(yè)培訓即可使用，具有超限報警功能，主要是管理人員、領工員使用。

3.3.2 瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)

瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)使用KJ90聲、光連動自動監(jiān)控系統(tǒng)，其探頭懸掛位置應能反映隧道即時風流中瓦斯的最高濃度。在檢測到瓦斯?jié)舛取?.4%時報警，瓦斯?jié)舛取?.5%時切斷電源實施瓦電閉鎖。瓦斯探測器主要設置在掌子面處(開掘處)、襯砌處、加寬帶和回風口四類易引起瓦斯發(fā)生積聚、且位置相對固定、重要的地方。

3.3.3 檢測頻率

現(xiàn)場瓦檢員按每次上下班和工作期間1次/h用CJG10X型光干涉瓦斯檢測儀檢測;管理人員上下班和工作期間1次/2h用AZJ-2000型便攜式甲烷檢測報警儀進行檢測;自動瓦檢系統(tǒng)24 h全過程實施監(jiān)控。作業(yè)區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊暮吭?.4%以下正常施工;在濃度達到0.4%以上時增加檢查頻率，并采取有效措施保證施工安全。

3.4 施工機械和電氣設備的選用與管理

《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》規(guī)定:隧道內(nèi)高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的電氣設備和作業(yè)機械必須采用防爆型［9］。瓦斯隧道作業(yè)設備選用防爆型不僅裝、運機械成本太高，而且對施工工效有較大影響。瓦斯隧道施工設備配置方案是否要全部采用防爆型，不能僅取決于是否為高瓦斯類或瓦斯突出類來定性地決定，而應取決于施工中實測的瓦斯?jié)舛却笮碜龀隹茖W的選擇［10］。

考慮到本隧道瓦斯屬于深地層天然氣溢出，產(chǎn)量低、而且突出幾率小，經(jīng)充分研究，在加強超前探測、瓦斯檢測，加強通風，設立施工許可條件基礎上，采用普通的裝、運機械完全可以保證作業(yè)安全。此外，為杜絕瓦斯燃燒爆炸的條件形成，洞內(nèi)其他所有電氣設備、線路均采用防爆型。

4 瓦斯治理效果

該隧道施工管理采取了上述治理措施，根據(jù)KJ90自動檢測系統(tǒng)顯示，爆破后掌子面的瓦斯?jié)舛群鸵谎趸?、氮氧化合物濃度在通風5～8 min就降到規(guī)范要求的限值以下。洞內(nèi)環(huán)境良好，檢測到的瓦斯和有害氣體均在允許濃度以下，未發(fā)生因瓦斯超限造成人身傷亡和設備損壞事故。單口月成洞進尺達到了126 m/月，說明治理措施是有效的。

5 結語

(1)非煤系瓦斯隧道瓦斯賦存的隨機性導致隧道開挖面出現(xiàn)瓦斯沒有規(guī)律，隧道施工瓦斯的防治應對隧址區(qū)地層巖性、地質構造進行全面認識，盡可能掌握潛在的瓦斯來源及運移通道，從而采取排放、稀釋、監(jiān)控等綜合措施進行治理。

(2)隧道掘進掌子面的超前鉆探可以切實發(fā)揮提前預判的作用，為后續(xù)采取合理應對措施提供第一手資料，施工中必須納入作業(yè)工序管理并認真對待。

(3)施工過程中瓦斯?jié)舛鹊娜^程、全方位檢測是安全作業(yè)的前提，必須成立專門的檢測管理機構，制定詳細的瓦斯檢測方案，將其納入工序管理，保證檢測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、真實性。同時應按規(guī)定按期對儀器進行檢查校正，以保證檢測數(shù)據(jù)的可靠度。

(4)施工通風是最關鍵、最主動的應對措施。在通風系統(tǒng)設計計算通風量時，不能忽視最低風速0.25 m/s的要求，此值是影響總通風量的主要因素。有效、穩(wěn)定和連續(xù)的通風，能保證及時稀釋和排出洞內(nèi)瓦斯及其他有害氣體，使洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛确弦?。為使通風發(fā)揮應有的作用，必須建立嚴格的施工通風管理制度，且落實在隧道施工作業(yè)過程中。

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［2］康小兵，許模，丁睿.隧道瓦斯災害危險性評價初探［J］.鐵道工程學報，2010(5):39-42.

［3］張子敏，張玉貴.瓦斯地質規(guī)律與瓦斯預測［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［4］卞國忠.炮臺山隧道天然氣的地質條件［J］.科學技術通訊，1995(1):1-4.

［5］鐵建設［2008］105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［6］TB10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［7］丁睿.瓦斯隧道建設關鍵技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［8］冀夏芳.淺談圖山寺高瓦斯隧道通風管理［J］.科技資訊，2011(9):36-37.

［9］TB10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［10］周校光.云臺山隧道瓦斯隧道施工設備配置方案探討［J］.巖土工程界，2003(7):72-74.